【正文】 是“綠色”的標志之一。所以對電力系統諧波污染的治理，已成了電工科學領域內迫切解決得問題之一。 國內外相關研究情況 國外相關研究情況目前國際上使用了單周期功率因數校正的芯片只有兩種，分別是2003年英飛凌推出來的ICEIPCS01和2005年IR公司推出的IR1150S都可作為300WPFC電路，不同的是前者采用前沿調制方式，后者采用后沿調制技術，（電路中時鐘信號是開關管開通的控制信號稱為后沿調制，反之為前沿調制）使用方式基本相同，都是一種既可以通過檢測電感電流又可以只檢測開關管電流來實現PFC功能的峰值電流控制模式的功率因數校正芯片。拓撲結構應盡量簡單、可靠，且具有一種結構多種用途的特點。 國內相關研究情況在國內，現在提出了一種“綠色”開關電源的拓撲方案，前級為無輔助換流軟開關Boost功率因數校正電路，其控制采用單周期控制方案，后級主電路為一種新型的零電壓零電流(ZVZCS)移相全橋DC/DC變換器?？傊?，成本低、結構簡單、容易實現的，并且具有軟開關性能、高響應速度、低輸出紋波的高功率因數變換器是未來的研究方向。因此，高性能、低成本的功率因數校正技術具有極大的市場潛力相應用前景。2 功率因數校正原理本章中，將先定義功率因數與總諧波失真系數(Total Harmonic Distortion, THD)，再分析功率因數校正器的種類及控制策略。 橋式整流器的電源電壓與電流波形，輸入電流Is可以用傅立葉級數展開成一個基本波is1和其它各階諧波的總和。在此定義THD為： ()根據電工學的基本理論，功率因數（PF）定義為平均功率（P）與視在功率（S）的比值，用公式表示為： ()平均功率P可由定義求得： ()其中，T為周期，且由()式可知，只有基波電流對實際功率有所貢獻，故平均功率（P）為： ()視在功率S的定義為： ()其中，IS為輸入電流is的有效值。因此要提高功率因數，必須降低電源輸入電流的諧波以及使基波電流與基波電壓的正弦波保持同相。 傳統的交/直流轉換器分析了解功率因數的意義后，如何提高功率因數及實際應用將是本節(jié)的目的。其構造為四個二極管外加上一個大濾波電容。 橋式整流后的線電壓、線電流波形 功率因數校正電路的種類低通濾波器填谷式濾波器Π型濾波器LC型濾波器無源校正器峰值電流法（PCMC）平均電流法（ACMC）磁滯電流法（HCMC）單周期控制法（OCC）單級式電壓隨耦控制法（VFC）雙級式連續(xù)導通模式（CCM）臨界導通模式（CRM）不連續(xù)導通模式（DCM）有源校正器功率因數校正器種類 功率因數校正電路分類功率因數校正電路的主要作用是使輸入電流與電壓相位同相，使負載近似于電阻性。 功率因數校正器 無源功率因數校器(a)至(c)所示，無源功率因數校正器是通過在輸入端插入電感、電容等無源元件來改善電流波形，以提高功率因數。，可用電容及電感所組成的濾波器濾除高次諧波，留下基波，以提高功率因數。但缺點很明顯：(1)無源濾波器可視為儲能網絡，向整流器提供的瞬時能量較大，這增加了無源器件的體積和重量。(3)運行情況受系統阻抗的影響，若不使用調諧電抗器，很可能會與系統電抗產生并聯諧振。(a) 僅用電感濾波的無源功率因數校正器結構框圖(b) 用LC型濾波的無源功率因數校正器結構框圖(c) 用π型濾波的無源功率因數校正器結構框圖綜合以上可知，以無源器件來改善PF值的效果有限，且體積與重量均無法滿足講究輕、薄、短、小的新一代電源的要求，因此工作在高頻的有源功率因數校正器近幾年廣泛應用并發(fā)展。有源功率因數校正器按電路連接形式可分為兩類：一類是功率因數電路并聯在輸入級和負載中間，稱為并聯有源電力濾波器(Active Power Line Conditioners，APLC)。 并聯式APLC方塊圖 串聯式APFC電路方塊圖有源功率因數校正器按切換開關的數量可分為兩類：雙級式與單級式。前級為功率因數校正級，使輸入電流波形追隨輸入電壓波形，兩者同相且成比例，輸入阻抗成電阻性。雙級式電路具有高功率因數、輸入電流無高次諧波、輸出穩(wěn)壓等優(yōu)點。故雙級式電路不適用于低功率領域應用。組件移位法是指將電力轉換器中的電壓源、切換開關及電容等組件，在不影響電路動作的原則下，移動組件相對位置，逐步拉近前后級電路彼此間的電壓源、切換開關及電容，使其能互相取代。在單級PFC中，由于DC/DC級工作在電流連續(xù)模式（CCM），占空比不隨負載變化。這樣，充入儲能電容的能量將大于從儲能電容抽走的能量，導致儲能電容電壓上升；如果輸入阻抗較小，儲能電容電壓會急劇上升以維持輸入功率和輸出功率的平衡。儲能電容電壓由輸入功率控制，而不受輸入電壓和輸出負載的控制。而在單級PFC變換器中只使用了一個開關管，它要同時承受PFC級和DC/DC級的電流，因此承受的電流應力更高，管子的損耗和尺寸更大。單級PFC電路中元器件的應力等問題，使得它的最大輸出功率受到限制。3 單相單周期控制Boost結構APFC的工作原理 引言傳統的單相Boost結構有源功率因數校正應用在較大功率電路中，采用平均電流控制模式時，為了達到功率因數校正和輸出電壓的穩(wěn)定，往往設置了電壓和電流二個反饋環(huán)，在實際電路中需要檢測輸入電壓、輸出電壓和電感電流，并且需要乘法器來實現，因此電路結構復雜、成本高，而且復雜運算又會產生比較大的延時。運用單周期控制理論的有源功率因數校正電路，除了具有傳統控制方法的優(yōu)點外(控制環(huán)的穩(wěn)定性，誤差校正功能等)，還具有單周期控制技術的一些優(yōu)點。 單周期控制Boost結構APFC Boost變換器功率級輸入輸出關系，在一個開關周期中的S的開關狀態(tài)為：其中為開關周期，D為占空比。也就是他們可以瞬間“導通”和“截止”，而且“導通”時壓降為零，“截止”是漏電流為零；(2)電感和電容是理想器件。 Boost變換器電路工作過程當開關管S開通時， (a)，電流流過電感線圈L，電感電流線性增加，電能以磁能的形式儲存在電感線圈L中，同時電容C放電，R上流過電流Io, R兩端為輸出電壓Vo，極性為上正下負，此時的二極管承受反壓而關斷。設開關導通時間：，開關關斷時間：在開關管開通期間，電感電流線性上升，其上升量為： ()當開關管關斷時，電感電流線性下降，其下降量為： ()在穩(wěn)態(tài)時這兩個電流變化量絕對值相等，所以得： Boost轉換器中的電感電壓和電感電流波形簡化得到Boost變化器的輸入輸出關系： () 單周期控制的Boost結構APFC的工作原理，其電路控制目標為：通過合適變量的控制，使電網提供給電路的電流與電網電壓同相位且波形相同，即整流橋整流后的輸出電流與其輸出電壓相位相同且波形相同，從而保證了電網輸出電流是正弦波。此時對于電源來說，可以用一個等效電阻來模擬整個整流橋以后的所有電路，把它設置為Re，則控制目標可表示為： ()把()式和()式合并得到： ()將()式兩邊同時乘（表示輸出電流檢測電阻），并令：于是得到了APFC的控制方程為： ()在每個開關周期中，如果占空比占滿足()式，那么()式也就同樣滿足。如果在每一個開關周期中，對()式兩邊進行積分，積分時間常數為開關周期Ts，得到： ()根據假設，在一個開關周期中，可以認為和的值保持不變，且,()式可簡化為： () 單周期控制的Boost結構APFC電路圖經過轉換，把控制方程變換成了()式。工作過程如下：輸出電壓的取樣值和基準電壓比較后的差值經過PI調解器得到,(加PI調解器是為了得到一個穩(wěn)定的輸出電壓)。因此，此控制電路在每個開關周期中都滿足()式，從而也滿足()實現了電網輸出電流和電壓同相位，且為正弦波。它包括電流內環(huán)和電壓外環(huán)，電流環(huán)采用了內嵌式的輸入電壓信號，通過脈寬調制調節(jié)與輸入電壓相關的占空比，使輸入平均電流跟隨輸入電壓且為正弦波，只要工作在連續(xù)模式，這種關系就能維持。輸出電壓環(huán)控制Boost變換器的輸出電壓，且能保證輸出電壓穩(wěn)定。腳2(FREQ)頻率設定端。腳3(ISNS)電流反饋輸入端。該引腳上接收的是檢測電阻上的負電壓，該電壓反映了電感電流的變化。 腳4(OVP/ENA)輸出電壓采樣輸入端。%VREF腳8驅動輸出將被強制關閉。 該引腳經過外部阻容電路接地，構成電壓環(huán)路補償電路。腳6(VFB)輸出電壓反饋端。腳8(GATE)。腳8(GATE)驅動輸出端。(1)軟啟動功能由于APFC變換器的輸出電解電容值往往比較大，電路在啟動時相當于短路，沖擊電流很大，此時Boost電感容易進入飽和，如果這時芯片進入正常占空比調節(jié)狀態(tài)，那么因為這時輸出電壓還沒有建立起來，電壓反饋回路勢必讓芯片輸出最大的占空比去開通Boost回路功率開關管，開關管會因流過過大的電流而容易損壞。(2)芯片欠壓保護功能欠壓保護功能通過監(jiān)測芯片供電電壓VCC來實現的，只有VCC的電壓到達開啟電壓VCC_ON時，驅動才有輸出，當VCC的電壓低于VCC_UVLO時，輸出關斷，這樣可保證有足夠驅動電壓使Boost功率管飽和導通。過壓保護點可根據電路的需要自行設定，可防止輸出電壓瞬時過沖，如果輸出電壓超過了過壓保護點，就沒有驅動輸出，直到輸出電壓恢復到正常值，芯片又會進入正常上作狀態(tài)。(5)過流保護通過檢測上的電壓來進行電流檢測，以防止過載等引起的大電流保護。只要把IC的第四腳(OVP腳)，芯片就進入待機模式。 300WAPFC電路主要參數的設計過程這節(jié)將詳細介紹用IR1150控制芯片設計一個連續(xù)模式的單相Boost結構APFC電路，另外討論了一些電路設計過程中的折中原則。由IR1150構成的APFC電路有兩個反饋控制環(huán),輸入電流環(huán)使DC/DC變換器輸入電流與全橋整流電壓波形及相位相同；輸出電壓環(huán)使DC/DC變換器輸出端為一個直流穩(wěn)壓源。電壓控制環(huán)由IR1150的5，6腳、取樣電阻、PI控制網絡等外圍電路構成，用于控制輸出電壓使其保